22.5. Природа ферромагнетизма

Т еория ферромагнетизма создана Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. Они показали, что ферромагнетизм обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов. При определенных условиях в кристалле ферромагнетика могут возникать обменные силы (эти силы имеют квантово-механическую природу), которые приводят к ориентации магнитных моментов электронов параллельно определенному направлению. В результате возникают области спонтанного намагничивания, которые называются доменами (рис. 22.5.1, а). Размер доменов составляет м. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и обладает максимальным магнитным моментом. Направление магнитных моментов доменов различно, и в отсутствии внешнего поля суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Наличие доменов приводит не только к очень большим значениям магнитной проницаемости ферромагнетика, но и к нелинейной зависимости магнитной проницаемости от напряженности внешнего поля.

Д ействие внешнего магнитного поля на домены при различных стадиях намагничивания различно. Сначала в слабых полях наблюдается смещение границ доменов, когда происходит увеличение тех доменов, магнитный момент которых составляет с внешним полем меньший угол (рис. 22.5.1, б). При дальнейшем увеличении поля домены с такой ориентацией (их энергия во внешнем поле минимальна) целиком поглощают энергетически менее выгодные домены. Тот процесс идет до тех пор, пока весь объем ферромагнетика не станет монодоменным. На следующей стадии происходит поворот магнитных моментов доменов по полю (рис. 22.5.1, в). При этом магнитные моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно. Эти процессы являются необратимыми и служат причиной гистерезиса («гистерезис» - запаздывание (лат.)). Суть этого явления состоит в том, что если довести ферромагнетик до насыщения , когда все магнитные моменты доменов будут ориентированы по полю (кривая 0-1), а затем уменьшать напряженность внешнего поля (кривая 1-3), то магнитная индукция внутри ферромагнетика будет меняться медленнее, чем менялась при увеличении поля (рис. 22.5.2).

При уменьшении напряженности внешнего поля до нуля у ферромагнетика наблюдается остаточная намагниченность (точка 2). Для того, чтобы довести индукцию магнитного поля в ферромагнетике до нуля (точка 3), необходимо приложить внешнее магнитное поле противоположной направленности. Величина напряженности этого поля называется коэрцитивной силой . Ферромагнетики, имеющие большие значения , называются жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Ферромагнетики, имеющие малые значения , называются мягкими и используются для изготовления сердечников трансформаторов.

При действии на ферромагнетик переменного внешнего поля, индукция магнитного поля внутри ферромагнетика изменяется в соответствии с кривой 0-1-2-3-4-5-6-1, которая называется петлей магнитного гистерезиса (рис. 22.5.2). Явление гистерезиса приводит к неоднозначной зависимости индукции магнитного поля внутри ферромагнетика от напряженности внешнего поля, поэтому понятие магнитной проницаемости ферромагнетика применимо лишь к основной кривой намагничивания (участок 0-1). В отсутствие внешнего поля ферромагнетик может иметь произвольное значение индукции магнитного поля в пределах участка 2-5.

Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается их механической деформацией. Это явление получило название магнитострикции.

Для каждого ферромагнетика существует температура (температура Кюри), выше которой доменная структура разрушается и он становится парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри – Вейсса:

.

В некоторых случаях обменные силы проводят к спонтанной ориентации магнитных спиновых моментов электронов антипараллельно друг другу. Такая ориентация охватывает попарно соседние атомы. Это явление называется антиферромагнетизмом. Антиферромагнетики ведут себя во внешнем поле как крайне слабые парамагнетики. Для них существует температура Нееля (антиферромагнитная точка Кюри). У некоторых антиферромагнетиков имеются две точки Нееля (эрбий, сплавы Mn и Cu), причем выше верхней точки Нееля вещество ведет себя как парамагнетик, ниже нижней – как ферромагнетик, между точками – как антиферромагнетик. Существование антиферромагнетиков предсказал Л.Ландау в 1933 году. Типичными антиферромагнетиками являются Cr и Mn.

Уникальными магнитными свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, обладают ферриты (оксиферы) — химические соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов. Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.). Благодаря низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц).